CN109111936A - 一种原位蒸发加工的生物炭及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物炭技术领域，更具体地，涉及一种原位蒸发加工的生物炭及其制备方法，其中，生物炭由以下组分制成：植物纤维、石蜡、糊精和白糖，该生物炭的制备方法为：将植物纤维与石蜡、糊精、和白糖混合均匀，压制成纤维块；再将纤维块放入原位蒸发炭化装置中进行炭化处理，得生物炭制品。本发明提供的生物炭吸附性能好，性能稳定，能有效应用于污水净化，人畜粪便处理等领域，具有极高的推广价值，且制备工艺简单，生产效率高，对环境无不良影响。

Description

一种原位蒸发加工的生物炭及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物炭技术领域，更具体地，涉及一种原位蒸发加工的生物炭及其制备方法。
背景技术
我国作为一个农业大国，每年都会产生大量的秸秆、稻草等农林废弃物。目前，这种农林废弃物并没有得到有效利用，大部分堆积在田间地头占据土地资源，或者直接焚烧，对大气环境造成破坏。另一方面，在污水净化、人畜粪便处理等领域需要大量高吸附性能的生物炭，秸秆、稻草等农林废弃物是一种很好的生物炭材料来源。
生物炭是生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。生物炭既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。
目前，制备生物炭的炭化装置主要依靠燃烧器对物料进行加热干燥。由于这种加热方式使得物料受热不均，影响生产效率，且燃烧过程中产生的废气会对大气环境造成污染，目前的炭化装置并未得到广泛的推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中生物炭材料及制备技术的不足，提供一种原位蒸发加工的生物炭，该生物炭由稻草，秸秆等农林废弃物制成，具有良好的吸附性能，且质量稳定。
本发明要解决的另一技术问题是提供所述原位蒸发加工的生物炭的制备方法，将稻草、秸秆、芦苇和木材等农林废弃物制成高吸附性能生物炭。该制备方法实现了对上述农林废弃物的有效利用，且制备工艺简单，所得生物炭成品炭化程度高、吸附性能好。
本发明还要解决的技术问题是提供实现所述制备方法的装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种原位蒸发加工的生物炭，由以下组分制成：植物纤维、石蜡、糊精和白糖，石蜡质量为植物纤维质量的1～10％，糊精质量为植物纤维质量的1～10％，白糖质量为植物纤维质量的1～10％。
优选地，石蜡质量为植物纤维质量的3％，糊精质量为植物纤维质量的3％，白糖质量为植物纤维质量的3％。
本发明通过加入石蜡，有助于植物纤维压制过程中定型，同时，在炭化过程中，由于石蜡排出而形成大量的孔洞，有利于提高制品的吸附能力；通过加入白糖和糊精，白糖和糊精的粘结性能能够促进纤维成块，提高生物炭的强度，同时，白糖炭化后，能够提升制品吸附离子的能力，糊精炭化后，也有利于吸附能力的提升。
进一步地，植物纤维包括稻草、秸秆、芦苇、木材中的一种或多种；植物纤维直径小于等于2mm，长度小于等于50mm；含水率为8～15％。
本发明还提供一种所述原位蒸发加工的生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1.对植物纤维破碎后再干燥；
S2.将步骤1中处理后的植物纤维与石蜡、糊精、和白糖混合均匀，压制成纤维块，纤维块密度为0.5～1.2Kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块放入原位蒸发炭化装置中进行炭化处理，得生物炭制品。
优选地，步骤S1中植物纤维为稻草、秸秆、芦苇、木材中的一种或多种。
本发明通过采用疏松、柔软的稻草、秸秆、芦苇和木材等植物纤维作为原材料，很容易将其加工成高吸附性能的多孔生物炭，实现了对农林废弃物的有效利用，同时也降低了生物炭成本。
进一步地，步骤S1中植物纤维破碎后直径小于等于2mm，长度小于等于50mm。
优选地，步骤S1中植物纤维破碎后直径为1mm，长度为20mm。
进一步地，植物纤维的干燥方式为烘干，植物纤维烘干后含水率为8～15％。
优选地，植物纤维烘干后含水率为10％。
本发明在生物炭制备过程中，对纤维料块的密度严格控制在0.5～1.2kg/m3之间。如果密度太小，料块有可能会散掉，不能得到成块的生物炭，如果密度太大，则可能导致生物炭孔洞过少，影响吸附效果。
进一步地，植物纤维块在炭化装置中进行炭化处理时工艺参数如下：真空率为大于85％，温度为150～400℃，时间为2～24小时。
优选地，炭化处理温度为250℃。
本发明还提供实现所述制备方法的原位蒸发炭化装置，包括底座及与底座可拆卸连接的上盖，底座为具有开口的腔体结构，上盖置于所述底座的开口处；腔体结构用于放置植物纤维块；腔体内设有底托板，底托板上设有通孔，底托板下部设有支撑脚；上盖上设有抽真空***和排气装置，底座上设有加热装置，底座的底部设有排污口。
本发明在炭化过程中，先通过抽真空***将炭化装置内氧气等气体抽出，造成无氧环境，避免植物纤维块在炭化过程中燃烧。再对植物纤维块进行高温炭化，使石蜡和水分蒸发，同时纤维、糊精和白糖中的氢原子和氧原子结合成水，形成水蒸汽，从而形成大量的孔洞，与纤维炭化后的毛细管一起协同作用，对液体中的离子、固体渣等具有很好的吸附能力，从而得到具有高吸附能力的生物炭制品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的生物炭吸附性能好，性能稳定，能有效应用于污水净化，人畜粪便处理等领域，具有极高的推广价值。吸附后的生物炭经干燥除臭处理后，能作为有机肥用于生态有机农业。
本发明以农林废弃物为主要原材料，与石蜡。白糖和糊精混合压缩成块后，在原位蒸发加工炭化装置作用下炭化，实现了对农林废弃物的回收利用，且制备工艺简单。
本发明使用原位蒸发炭化装置对植物纤维进行加工炭化，工艺简单，生产效率高，且对环境无不良影响。
附图说明
图1为原位蒸发炭化装置结构示意图。
图2为底托板俯视图。
其中：1为底托板，2为加热器，3为底座，4为上盖，5为抽真空***，6为排气装置，7为纤维块，8为排污口。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
如图1和2所示，本实施例提供一种原位蒸发炭化装置，炭化装置可以用于制备生物炭。炭化装置包括底座3和上盖4，底座3和上盖4之间采用可拆卸连接，包括法兰连接和螺旋连接。在本实施例中，底座3和上盖4采用法兰连接。
底座3为具有开口的腔体结构，上盖4置于底座的开口处，腔体结构用于放置植物纤维块7。腔体结构内腔体内设有底托板1，底托板1上设有通孔，底托板1下部设有支撑脚。底托板1可及时将炭化过程中产生的液体与植物纤维块7分离，防止液体过多影响炭化进程。底座3底部设有排污口8，用于排出炭化过程产生的液体，有利于炭化装置的清理。
底座外部设有加热装置2，加热装置可以为电阻丝加热，电磁加热和红外加热的任意一种，本实施例优选为效率更高的电阻丝加热。
上盖4上设有抽真空***5和排气装置装置6，抽真空***5用于抽出炉内空气，营造无氧环境，能防止植物纤维在炭化过程中燃为灰烬；排气装置6能及时排出反应中产生的气体。本实施例优选排气装置为单向导通阀。
本实施例提供的炭化装置用于将植物纤维原料加工成生物炭材料，其工作过程如下：首先将植物纤维压缩成的纤维块7放入底座3腔体中，然后盖上炭化装置上盖4，启动抽真空***5，排出炭化装置内的氧气等气体。随后启动加热器2，对植物纤维进行炭化处理。炭化过程中，纤维、白糖和糊精中的水分会变成水蒸气，同时材料中的氢元素和氧元素也会结合变成水蒸气，这些气体会在纤维块内部膨胀，形成气泡，然后通过单向导通阀6排出炉外。石蜡会先熔融然后炭化，炭化过程中产生的液体，从底座底部的排污口8排出。炭化结束后，关闭加热器，冷却后取出炭化好的纤维块。即可得到生物炭制品。炭化过程中，条件如下：真空率为大于85％，温度为150～400℃，时间为2～24小时。
实施例2
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取秸秆纤维，破碎至直径为2mm，长度为50mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为8％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入1kg石蜡、1kg白糖、1kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为0.5kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为85％，温度为150℃的条件下炭化2小时，得生物炭制品。
实施例3
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取芦苇纤维，破碎至直径为1.5mm，长度为40mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为10％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入1kg石蜡、1kg白糖、1kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为0.7kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为85％，温度为200℃的条件下炭化6小时，得生物炭制品。
实施例4
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取木材纤维，破碎至直径为1mm，长度为30mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为15％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入3kg石蜡、3kg白糖、3kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为1kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为90％，温度为250℃的条件下炭化8小时，得生物炭制品。
实施例5
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取稻草纤维，破碎至直径为1mm，长度为20mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为10％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入3kg石蜡、3kg白糖、3kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为1kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为90％，温度为250℃的条件下炭化10小时，得生物炭制品。
实施例6
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取稻草纤维，破碎至直径为0.5mm，长度为20mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为12％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入3kg石蜡、3kg白糖、3kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为1.2kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为90％，温度为300℃的条件下炭化20小时，得生物炭制品。
实施例7
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取稻草纤维，破碎至直径为2mm，长度为10mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为8％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入5kg石蜡、5kg白糖、5kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为1.2kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为95％，温度为400℃的条件下炭化20小时，得生物炭制品。
实施例8
本实施例提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，包括以下步骤：
S1.选取稻草纤维，破碎至直径为2mm，长度为10mm，然后进行烘干处理，直至纤维含水率为15％，待用；
S2.选取100kg步骤S1中处理好的植物纤维，然后加入10kg石蜡、10kg白糖、10kg糊精，混合均匀后纤维块，纤维块密度为1.2kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块加入实施例1所述的原位蒸发炭化装置中，在真空率为100％，温度为400℃的条件下炭化24小时，得生物炭制品。
对比例1
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S1中植物纤维含水率为5％。
对比例2
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S1中植物纤维含水率为20％。
对比例3
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工制备生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S2中未加入石蜡。
对比例4
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S2中未加入白糖和糊精。
对比例5
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S2中纤维块密度为0.3kg/m3。
对比例6
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S2中纤维块密度为1.5kg/m3。
对比例7
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工制备生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S3中炭化装置的真空率为80％。
对比例8
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S3中炭化时间为1小时。
对比例9
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S3中炭化时间为30小时。
对比例10
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S3中炭化温度为100℃。
对比例11
本对比例参照实施例5的操作步骤，提供一种原位蒸发加工生物炭的方法，与实施例5不同之处在于：步骤S3中炭化温度为500℃。
实施例2～8和对比例1～11制备的生物炭各项性能如表1所示。
表1
通过对比例1和对比例2分析可知，对比例1和对比例2制备的生物炭吸附性能和强度都要低于实施例制备的生物炭。其原因如下，当植物纤维含水率过低时，炭化过程中产生的水蒸气较少，导致纤维内部气泡较少，降低了生物炭制品的孔洞数量，影响了吸附性能；当植物纤维含水率过高时，炭化过程中产生的水蒸气较多，将会影响炭化进度，导致炭化不充分，影响生物炭吸附性能。
对比例3和对比例4制备的生物炭吸附性能和强度都要低于实施例制备的生物炭。其原因如下，在植物纤维炭化过程中，石蜡先熔融后炭化，石蜡熔融排出而形成大量的孔洞，可增加生物炭的孔径，提高了吸附性能；白糖炭化后，能够提升制品吸附离子的能力，糊精炭化后，也有利于吸附能力的提升并增加生物炭的强度。
通过对比例5和对比例6分析可知，对比例5制备的生物炭虽然吸附性能好，但是强度太低，在生产和使用过程中很容易破碎，无法有效的发挥其作用；对比例6中，植物纤维块密度过大，导致制备的生物炭孔洞较少，影响了吸附性能。
通过对对比例7～11分析可知，对比例7～11制备的生物炭吸附性能和强度都要低于实施例制备的生物炭。其原因如下，本发明炭化处理过程中，炭化处理受多种因素影响，炭化装置真空率，炭化时间和炭化温度都会影响生物炭的性能。如果炭化装置真空率不够，炭化装置中还有氧气残留，会导致炭化过程中纤维块出现燃烧，影响生物炭制品的吸附性能和强度。如果炭化处理温度过高，时间过长，会导致炭化炉内温差大，造成炭化不均匀的现象；如果炭化处理的温度和时间不够，会导致植物纤维块炭化不充分，影响生物炭制品的效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位蒸发加工的生物炭，其特征在于，所述生物炭由以下组分制成：植物纤维、石蜡、糊精和白糖，所述石蜡质量为植物纤维质量的1~10%，所述糊精质量为植物纤维质量的1~10%，所述白糖质量为植物纤维质量的1~10%。
2.根据权利要求1所述的原位蒸发加工的生物炭，其特征在于，所述石蜡质量为植物纤维质量的3%，所述糊精质量为植物纤维质量的3%，所述白糖质量为植物纤维质量的3%。
3.根据权利要求1或2所述的原位蒸发加工的生物炭，其特征在于，所述植物纤维包括稻草、秸秆、芦苇、木材中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的原位蒸发加工的生物炭，其特征在于，所述植物纤维直径小于等于2mm，长度小于等于50mm；含水率为8~15%。
5.权利要求1~4任意一项所述原位蒸发加工的生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对植物纤维破碎后再干燥；
S2.将步骤1中处理后的植物纤维与石蜡、糊精、和白糖混合均匀，压制成纤维块，纤维块密度为0.5~1.2Kg/m3；
S3.将步骤S2中制备的纤维块放入原位蒸发炭化装置中进行炭化处理，得生物炭制品。
6.根据权利要求5所述的原位蒸发加工的生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述植物纤维包括稻草、秸秆、芦苇、木材中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的原位蒸发加工的生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述植物纤维破碎后纤维直径小于等于2mm，长度小于等于50mm。
8.根据权利要求5所述的原位蒸发加工的制备的生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述干燥方式为烘干，植物纤维烘干后含水率为8~15%。
9.如权利要求5所述的原位蒸发加工的生物炭的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述炭化处理的工艺参数如下：真空率为大于85%，温度为150~400℃，时间为2~24小时。
10.一种实现权利要求5所述的制备方法的原位蒸发炭化装置，其特征在于，所述原位蒸发炭化装置包括底座及与底座可拆卸连接的上盖，所述底座为具有开口的腔体结构，所述上盖置于所述底座的开口处；所述腔体结构用于放置植物纤维块；所述腔体内设有底托板，所述底托板上设有通孔，所述底托板下部设有支撑脚；所述上盖上设有抽真空***和排气装置，所述底座上设有加热装置，所述底座的底部设有排污口。
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